一种基于磁场传感的电流传感装置的制作方法

本发明涉及超磁致伸缩材料传感技术以及电涡流位移传感技术，属于电力系统计量与保护领域。

背景技术：

电流互感器是电力系统建设和运行的重要一次设备，为系统地控制和保护提供准确可靠的测量信息，其运行可靠性和测量准确性直接关系到电力系统的安全稳定运行。随着输电技术的快速发展，超特高压输电工程日益增多，电力系统的运行状况需要被牢牢的掌控，这就需要更先进更符合要求的电流传感器来完成这项任务。随着电力工业的发展，近年来科研人员把目光主要聚焦到了研究新型光学电流传感器。按其所应用的材料来划分，目前系统中应用且研究较多的光学电流传感器主要分为三种。一种是以重火石玻璃为代表的传感器，另一种是以光纤作为传感材料的传感器。这两种材料都具有法拉第旋光特性，即将该材料置于由输电线路所产生的磁场中，让一束线偏振光通过该材料，由于法拉第旋光效应，在材料中的线偏振光角度将发生一定偏转，偏转的角度与磁场强度呈线性关系。因此可以通过探测出射光偏转角度监测电流强度。第三种是由光纤布拉格光栅与gmm棒结合起来构成的光学电流传感器。其机理是：将gmm与光纤布拉格光栅沿棒方向粘贴在一起从而同步两种材料的应变，通过测量光栅的波长偏移量，反推其应变大小，从而获得产生磁场的待测直流电流的大小。

然而这三种光学电流传感器共同的不足之处有三点：一是测量精度的温度漂移问题是光学电流传感器的世界技术难题；二是整体结构较为复杂，除了光的双折射对输出结果有影响，光电设备本身也会对最后的数字信号结果产生影响；三是传感器的输出终端都是数字信号，只能通过数字信号对输电线路进行监测，发生故障无法直接进行保护动作。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有的电流传感器采用光学元件并需要配备光电设备，影响输出结果、以及发生故障时无法直接进行保护的问题，提供一种基于磁场传感的电流传感装置。

本发明所述的一种基于磁场传感的电流传感装置包括磁场传感单元(1)和位移传感单元(2)；

所述磁场传感单元(1)包括gmm棒(1-1)和输出棒(1-2)，所述gmm棒(1-1)用于感应输电线路的磁场而产生轴向伸缩，从而将应变传递给输出棒(1-2)；

所述位移传感单元(2)包括探头线圈(2-1)、激励信号源(2-2)、交流电桥(2-3)、信号解调电路(2-4)以及低通滤波电路(2-5)；

所述激励信号源(2-2)用于产生正弦激励信号，该信号通过交流电桥(2-3)加载到探头线圈(2-1)的两端；

探头线圈(2-1)用于感应gmm棒产生的轴向伸缩，其产生的感应信号依次经过信号解调电路(2-4)放大以及低通滤波电路(2-5)滤波后输出。

gmm是具有磁致伸缩特性的材料，因掺杂有稀土元素，并在磁场作用下，该材料相比于传统的铁基以及镍基磁致伸缩材料有相对较大的长度和体积变化，故称之为稀土超磁致伸缩材料。在工程上，利用这个特性，能将电能和磁能高效的转化为机械能，抑或将机械能高效的转化为电能。

磁致伸缩材料主要有三大类：镍和镍基合金(ni,ni-co)，压电陶瓷材料(pzt)和稀土超磁致伸缩材料(giantmagnetostrctivematerial简称gmm)。铁磁材料在外加磁场作用下发生长度或体积变化的现象称为磁致伸缩。gmm是在室温和低磁场下有很大磁致伸缩系数的三元稀土铁化合物，典型材料为tbxdy1-xfe2-y，这种材料已实现商品化生产。由于gmm的磁致伸缩系数比传统磁致伸缩材料大约2个数量级，因此被称为稀土超磁致伸缩材料。

gmm是一种新型高效的磁(电)——机械能量转换材料，与ni和pzt相比，具有优越的性能：(1)在室温下的磁致伸缩应变量，是ni磁致伸缩应变的40～50倍，是pzt电致伸缩应变的4～20倍；(2)能量转换密度高，是ni的400～500倍，是pzt的10～25倍；(3)响应速度快，响应速度一般在几十毫秒以下，甚至达到微秒级；(4)输出力大，带载能力强；(5)磁机耦合系数大，电磁能—机械能转换效率高，一般可达72％。

以超特高压输电线路为激励磁场源，磁场传感单元利用超磁致伸缩棒的磁致伸缩效应来实现对输电系统母线磁场的传感功能；电涡流传感单元中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头端部线圈中产生交变磁场，处于该磁场中的金属体上产生感应电动势，导体表面就会产生感应电流。因此当被测体(磁场传感单元的输出棒)靠近这一磁场时，则在此被测体表面产生感应电流，即电涡流。

与此同时，被测体上的电涡流产生交变磁场方向与高频振荡电流在探头端部线圈中产生交变磁场方向相反，使探头线圈中电流大小和相位都发生了变化，即探头线圈的阻抗发生了变化，用探头线圈阻抗的变化来反映被测体的涡流效应。

当被测体与探头之间的距离发生变化时，探头线圈等效阻抗也发生变化，阻抗的变化引起振荡电压的变化，振荡电压经过信号调理解调之后处理转化成电压(电流)变化，最终完成位移-线圈等效阻抗-电压的转换。

其基本工作原理是：当探测线圈通以高频交流电时，在线圈周围产生交变磁场，处在交变磁场范围里面的导体将感应出涡流。导体中的涡流产生与线圈磁场方向相反的磁场，线圈磁场和涡流磁场的相互作用，改变探测线圈的阻抗。当距离改变时，线圈与目标导体的磁场耦合强度发生改变，线圈的阻抗随之改变，因此通过测量线圈的阻抗即可获得目标导体的位移信息。

本发明不存在光学元件，因此能够有效避免温度漂移问题；不需要光电设备，不会对输出结果产生影响；最终输出信号为模拟信号，可通过模拟信号对输电线路进行监测，发生故障时可直接进行保护动作。

附图说明

图1为实施方式一所述的电流传感装置的结构示意图，其中3表示超特高压输电系统母线；

图2为实施方式二所述的磁场传感单元的结构示意图；

图3为实施方式二中预应力机构的结构示意图；

图4为实施方式三中激励信号源的原理框图；

图5为实施方式四中交流电桥的电路图；

图6为实施方式五中信号解调电路的电路图；

图7为实施方式六中低通滤波电路的电路图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于磁场传感的电流传感装置，包括磁场传感单元(1)和位移传感单元(2)；

所述磁场传感单元(1)包括gmm棒(1-1)和输出棒(1-2)，所述gmm棒(1-1)用于感应输电线路的磁场而产生轴向伸缩，从而将应变传递给输出棒(1-2)；

所述位移传感单元(2)包括探头线圈(2-1)、激励信号源(2-2)、交流电桥(2-3)、信号解调电路(2-4)以及低通滤波电路(2-5)；

所述激励信号源(2-2)用于产生正弦激励信号，该信号通过交流电桥(2-3)加载到探头线圈(2-1)的两端；

探头线圈(2-1)用于感应gmm棒产生的轴向伸缩，其产生的感应信号依次经过信号解调电路(2-4)放大以及低通滤波电路(2-5)滤波后输出。

如图1所示，gmm棒(1-1)与输电系统母线垂直设置，gmm棒(1-1)与输出棒(1-2)同轴固定。当输电线路有电流流过时，gmm棒就能够感应输电线路的磁场而产生轴向的伸缩，从而将产生的应变传递给输出棒(1-2)，由输出棒(1-2)向位移传感单元(2)的探头线圈(2-1)输出。

位移传感单元(2)的工作原理是：由于电磁感应的作用，输出棒(1-2)端面的电涡流产生的交变磁场与高频振荡电流在探头线圈(2-1)内产生的交变磁场方向相反，两个交变磁场相互作用，线圈等效阻抗因为磁场的变化也会相应变化。当gmm棒(1-1)与探头线圈(2-1)之间的距离发生变化时，导致振荡电路的振荡频率改变，线圈阻抗的变化直接表现为电压的变化，根据该电压的变化可以得到输电系统母线的电流。

具体实施方式二：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的电流传感装置的进一步限定，本实施方式中，所述磁场传感单元(1)还包括预应力机构(1-3)、偏执磁场机构、外壳(1-4)和底座(1-5)；

底座(1-5)和预应力机构(1-3)分别固定在外壳(1-4)两端；gmm棒(1-1)和偏执磁场机构位于由底座(1-5)、预应力机构(1-3)和外壳(1-4)所围成的空间内部；

gmm棒(1-1)固定在底座(1-5)上；偏执磁场机构包括永磁铁(1-6)和固定永磁铁(1-6)用的永磁铁架，所述永磁铁(1-6)环绕在gmm棒(1-1)周围；

输出棒(1-2)的一端固定在gmm棒(1-1)的端面上，另一端穿过预应力机构(1-3)，输出棒(1-2)上固定有挡片(1-2-1)，所述挡片(1-2-1)位于预应力机构(1-3)内部；

预应力机构(1-3)包括预紧弹簧(1-3-1)、拧紧螺母(1-3-2)和外罩(1-3-3)，拧紧螺母(1-3-2)与外罩(1-3-3)的一端螺纹连接，预紧弹簧(1-3-1)被压缩在挡片(1-2-1)与拧紧螺母(1-3-2)之间。

本实施方式中，永磁铁环绕在gmm棒周围，用于提供偏置磁场，以消除gmm动态应用下的倍频效应，并移动其工作点至输出特性曲线的线性区域，以提高装置的精度。

图3所示为预应力机构(1-3)，其外罩(1-3-3)的左端面固定在图2中外壳(1-4)的右端，主要由拧紧螺母(1-3-2)和预紧弹簧(1-3-1)组成，拧紧螺母(1-3-2)用来调节预应力的大小，从而来选择合适的预应力大小，提高gmm的输出性能和其抗拉强度。

具体实施方式三：结合图4说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一和二所述的电流传感装置的进一步限定，本实施方式中，所述的激励信号源(2-2)采用dds信号源实现。

如图4所示，采用mcu控制dds，dds产生的信号经放大器放大，然后通过交流电桥(2-3)加载到探头线圈(2-1)上。

要电流传感装置工作，需要有信号施加在探头线圈(2-1)上，这样才会在被测体(输出棒(1-2))中产生涡流，为后续电路提供可处理的响应信号。

激励信号源(2-2)用于产生电流传感装置所需要的1mhz的正弦激励信号，所述正弦激励信号需通过放大电路放大到需要的幅值。本实施方式采用设计简便、频率和幅值稳定性都极佳的dds信号源作为激励信号源，同时设计了一个高性能的功率放大器(pa)来驱动探头线圈(2-1)及其它电桥元件。整个激励信号源(2-2)的结构如图3所示。

具体实施方式四：结合图5说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一至三所述的电流传感装置的进一步限定，本实施方式中，所述的交流电桥(2-3)包括参考线圈m、第一采样电阻和第二采样电阻；

探头线圈(2-1)、参考线圈m、第一采样电阻rs1和第二采样电阻rs2依次首尾连接，形成闭合回路；

激励信号源(2-2)输出端的两个端子分别连接探头线圈(2-1)和参考线圈m的公共端、以及第一采样电阻和第二采样电阻的公共端；

参考线圈m和第一采样电阻的公共端与探头线圈(2-1)和第二采样电阻的公共端之间的电势差为所述流电桥(2-3)的输出信号。

交流电桥(2-3)结构如图5所示，探头线圈(2-1)相当于在交流电桥(2-3)中接入的探测线圈，交流电桥(2-3)能够产生响应信号并分离响应信号。响应信号的分离是指输出电压中的虚部和实部实现了分离，实部代表电感变化量，虚部代表电阻变化量。由于实部(与激励信号源(2-2)的输出信号成0度相位差)代表响应信号的电感变化，在通过测量电感变化量来获取输出棒(1-2)的位移信息时只需要用交流电桥(2-3)的激励电压作参考信号即可，而无需90度移相，进一步简化了电流传感装置的信号处理电路，有利于提高其分辨率和稳定性。

具体实施方式五：结合图6说明本实施方式，本实施方式是对实施方式四所述的电流传感装置的进一步限定，本实施方式中，所述的信号解调电路(2-4)包括第一差动放大器、锁定放大器和第二差动放大器；

第一差动放大器的同相输入端连接参考线圈m和第一采样电阻的公共端，第一差动放大器的反相输入端连接探头线圈(2-1)和第二采样电阻的公共端；

第一采样电阻和第二采样电阻的公共端连接锁定放大器的参考信号输入端，第一差动放大器的输出端连接锁定放大器的检测信号输入端；

锁定放大器的输出端连接第二差动放大器的同相输入端，第二差动放大器的反相输入端用于接入参考电压信号，第二差动放大器的输出端作为所述信号解调电路(2-4)的输出端。

信号解调电路(2-4)的结构如图6所示，主要由用于放大交流电桥信号的第一差动放大器、实现相敏检波的锁定放大器、以及一个带增益和偏置调节的第二差动放大器构成。基于特殊电桥差动放大和同步锁定放大原理，本实施方式设计实现了用于处理涡流传感信号的信号解调电路(2-4)，用于测量线圈的阻抗变化并将其转换为位移信息。

具体实施方式六：结合图7说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一至五所述的电流传感装置的进一步限定，本实施方式中，所述低通滤波电路(2-5)包括两个输出通道，一个为高带宽通道，另一个为高分辨率通道。

低通滤波电路(2-5)的功能主要是平滑信号解调电路(2-4)的输出电压，跟随器实现输出信号与前级放大器的简单隔离。

如图7所示，所述低通滤波电路(2-5)包括两个低通放大器、两个跟随器以及一个普通放大器。信号解调电路(2-4)输出的信号先经过截止频率为10khz的低通放大器进行滤波放大，放大后的信号可以从两个通道中的一个输出。一个通道为：直接通过跟随器输出，对应图7中的输出端a，该通道的特点是高带宽，量程大；另一个通道为：先经过放大器放大，然后经截止频率为100khz的低通放大器滤波放大，再通过跟随器输出，对应图中的输出端b，该通道的特点是高分辨率，灵敏度和分辨率都极高，量程随之减小。